沸石中的择形催化

沸石是硅酸铝的微孔三维结晶固体。沸石中含有固定大小的小孔，允许小分子通过，但不允许大分子通过；这就是为什么它们有时被称为分子筛。

沸石天然存在，但它们也在工业部门大规模生产。沸石以其离子交换和可逆脱水特性而闻名。它们由一个框架结构组成，该结构包围了由大量金属阳离子（带正电荷的离子）和水分子组成的相互连接的空腔。

什么是沸石？

A zeolite’s primary structural feature is a three-dimensional tetrahedral framework in which two tetrahedra share each oxygen atom. The framework would be neutral if all tetrahedra contained silicon; substituting aluminium for silicon generates a charge imbalance and necessitates the presence of other metal ions in relatively significant cavities of the framework. 

这些金属离子通常是在天然存在的沸石中发现的一价或二价离子，例如钠、钾、镁、钙和钡。沸石与长石矿物相似，不同之处在于沸石中的空穴较大，并且通常存在水。沸石根据构成框架的结构元素种类进行结构分类，例如环或多面体。由框架单元产生的空腔宽度从大约 2 到 8 埃不等，允许离子相对容易地穿过空腔。

沸石的性质：

1. 在许多环境情况下，沸石是相对稳定的固体。
2. 沸石具有极高的熔点。
3. 它们不能溶于水或其他无机溶剂。
4. 在有空气的情况下，它们不会氧化。
5. 沸石的开放笼状骨架结构有助于捕获水以及钾和钙离子。
6. 天然沸石以随机形状出现，孔径不均匀，但合成沸石以非常精确的方式制成，孔径均匀。
7. 富含氧化铝的沸石被水等极性分子吸引，而富含二氧化硅的沸石被非极性分子吸引。
8. 因为沸石不具有反应性，并且来源于天然存在的矿物，所以它们不会对环境造成负面影响；然而，皮肤接触或吸入可能具有致癌作用。

沸石的发生与生产

如前所述，沸石天然存在于火山岩和火山灰沉积物与碱性地下水发生反应的地区。根据消息来源，已鉴定出超过 245 种不同的沸石骨架，并且已知大约 40 种天然存在的沸石骨架。当发现新的沸石结构时，国际沸石协会结构委员会会对其进行彻底检查。该物质在识别后被分配一个三个字母的名称。天然沸石通常使用露天采矿技术开采。

同时，工业上重要的沸石正在合成中。用氢氧化钠加热氧化铝和二氧化硅的水溶液是最流行的技术之一。铝酸钠和硅酸钠也是等效试剂。其他变体包括改变阳离子以包括季铵阳离子。迄今为止，已制造出 200 多种合成沸石。这是通过使用二氧化硅-氧化铝凝胶的逐渐结晶技术以及添加碱和有机模板来实现的。

尽管如此，人造沸石与天然沸石相比具有有限的优势。合成沸石以相纯且均匀的状态产生。此外，一种独一无二的沸石结构可以在工业上生产。例如，沸石 A。此外，由于二氧化硅和氧化铝是地球上最普遍的矿物成分，因此可以无限期地制造和供应沸石。

沸石的种类

沸石可以自然产生、合成或工业制造。沸石有大约 50 种不同的种类。

天然沸石

它们主要存在于火山岩和沉积岩中。例子：

• 斜发沸石（Clino）沸石的硅铝比为5比1。斜发沸石在酸性环境中不降解，在农业中广泛用作饲料添加剂和土壤改良剂。
• Na ₅₆ (AlO ₂ ) ₅₆ (SiO ₂ )136.250H ₂ O (八面沸石)。

合成沸石

合成沸石通常是通过二氧化硅-氧化铝凝胶在碱金属和有机模板存在下的逐渐结晶形成的。令人惊讶的是，此过程可用于创建范围广泛的结构。除了结构变化外，沸石还可以由各种不同的原子产生或合成，使其具有化学吸引力和活性。锗、铁、镓、硼、锌、锡和钛是所谓的杂原子的例子。

溶胶-凝胶加工是沸石生产的另一种主要方法。产品的质量受各个方面的影响很大，包括系统的 pH 值、操作温度、反应混合物的组成、反应前的晶种期、反应时间和使用的模板。很少有其他元素（金属、金属氧化物）可以很容易地整合到这种方法中。通过水热技术形成的硅沸石溶胶通常非常稳定。许多人更喜欢这种沸石生产方法，因为它很容易扩大规模。

已经为各种应用创造了几种合成沸石，其中最著名的是沸石 A，它通常用于洗衣洗涤剂。合成沸石的二氧化硅与氧化铝的比例为一比一。一个例子是[Na ₁₂ (AlO ₂ ) ₁₂ (SiO ₂ ) ₁₂ .27H ₂ O] ₈ (Linde-A)。

沸石的化学成分和结构

硅和铝四面体配位的硅铝酸盐骨架为所有沸石所共有。四个氧阴离子围绕硅和铝阳离子 (O ₂ ^– )。沸石由SiO ₄和AlO ₄的四面体结构组成。然而，沸石往往在其组成中具有不同的化学元素。沸石的公式以比例给出：

M_x/n[AlO₂]_x.(SiO₂)_y.mH₂O

在哪里，

• M = 任何一种金属，可能是镁、钠、钾、锂或钙。
• n = 金属阳离子的化合价。
• y = 沸石结构中的水分子数。
• y/x = 原子 Si/Al 比

择形催化

Shape-selective catalysis is a type of catalysis in which the size of the reactant and product molecules, as well as the pore structure of the catalyst, influence the reaction. Because of their honeycomb-like architecture, zeolites are excellent shape-selective catalysts. 

它们是具有三维硅酸盐网络的微孔铝硅酸盐，其中某些硅原子被铝原子取代，从而形成 Al-O-Si 骨架。反应物和产物分子的大小和形式，以及沸石的孔隙和空腔，决定了其中发生的反应。它们可以在自然界中找到，也可以为催化选择性合成。

沸石在石化工业中经常用作烃裂化和异构化的催化剂。 ZSM-5 是石油行业常用的沸石催化剂。它通过将醇类脱水以产生碳氢化合物组合，将醇类直接转化为汽油（汽油）以下是几个示例：

• 利用沸石的催化反应是形状选择性催化的一个例子。孔径大于 260-740 微米的分子不能通过沸石并因此发生反应。
• 沸石是一种结晶铝硅酸盐矿物，是一种常见的形状选择性催化剂和吸附剂。沸石是一种多孔物质，可以承受极端温度和压力。
• 由于微孔的形状和尺寸一致，沸石被用作形状选择性催化剂。在使用沸石的催化过程中，反应物的分子分布在矿物的孔隙中，即分子被捕获在其中，然后吸附在化学反应的活性位点上。
• ZSM-5 是一种纳米级形状选择性沸石催化剂，可用于异构化、聚合和脱水。它用于将甲醇和芳香烃和脂肪烃的混合物直接脱水成合成汽油。

ZSM-5

示例问题

问题 1：定义电泳。

回答：

Positively charged particles migrate to the cathode when an electric current is passed through a colloidal solution, whereas negatively charged particles move to the anode, where they lose their charge and coagulate. This phenomenon is referred to as electrophoresis.

问题 2：举一个形状选择性催化剂的例子。

回答：

Small molecules are absorbed in the pores and cavities of selective adsorbents such as zeolites, which is known as shape-selective catalysis.

问题3：联系流程是什么？

回答：

The contact process is a sophisticated industrial method for manufacturing concentrated sulfuric acid. During this process, sulphur dioxide and oxygen are transferred across a heated catalyst. Sulphur trioxide is formed when they combine, and it combines with water to generate sulfuric acid.

问题4：什么是自催化？

回答：

In the autocatalytic reaction, no special catalyst is used. Instead, one of the products serves as a catalyst, speeding up the product production process.

问题 5：正催化剂如何改变反应？

回答：

A positive catalyst accelerates a reaction by altering the reaction’s route and lowering the activation energy base. As a result, a large number of reactant molecules become products.